电动汽车发展的困难、关键、过程控制与顶层设计—陈院士-复件

1、 郭春林 教 授 华北电力大学 陈清泉 院 士 香 港 大 学 电动汽车发展的困难、关键、过程控制与顶层设计电动汽车发展的系统化思维与方法探索革命性的中国发展新能源汽车之路报告内容报告内容一、系统角度下的电动汽车二、时间角度下的电动汽车电动汽车发展的过程控制三、电动汽车发展的困难与关键四、基于系统价值的顶层设计方法五、 小结一、系统角度下的电动汽车一、系统角度下的电动汽车 1、电动汽车运营体系的构成和环节、电动汽车运营体系的构成和环节 包括电动汽车、充电基础设施与电网的三个基本部分 三部分在供能上是一种串联关系 任意环节出现问题或者配合不当，都会导致整个系统无法有效运行。 电动汽车包括动力电池

2、、变流器、驱动电机、整车集成、兼容化等环节 总体上是串联关系，相对独立；主要是设备与技术层面的问题 其中动力电池是薄弱环节，也是整个系统的瓶颈问题。充电基础设施部分包括接口标准化、布局建设、充电模式、商业运营、设备与控制等环节 主要是商业与运营层面的问题，耦合紧密 关键一：是充电方式、运行方式和商业模式不确定，决策困难；关键二：公共基础设施投资大、周期长，涉及土地利用等，形成了复杂的利益与制约关系。 电网部分包括入网规范与配套建设、电价与用户管理、协调调度、其它增值服务等环节 涉及技术、控制与运营等多个方面 也存在复杂相互关系，必须综合解决。 用户充电即有灵活可调的柔性需求，又有必须立即实现的

3、刚性需求，这为EV、充电设施、电网这一复杂大系统提供了实现全局优化的调节能力，又要求其保持随机性、分布式的实时动态响应能力 一个控制上的新难题。2、电动汽车复杂大系统及其控制难点、电动汽车复杂大系统及其控制难点全局问题运营层设备层 不只是车辆设备的竞争，更是两个大系统的竞争，包括车辆及其供能、支持维护体系等不是单一性能的竞争，而是包括便利性、环保性和经济性的综合竞争 存在一个临界点，一旦跨过临界点，电动汽车将迅速代替大部分燃油车3、电动汽车与燃油车的竞争关系、电动汽车与燃油车的竞争关系电动汽车发展的特殊问题必须和传统燃油车竞争4、“两个友好两个友好” 车网融合的巨大价值车网融合的巨大价值 以5

4、00万辆EV计算，如果每辆能提供V2G充放电功率7kW，就能够为电网提供7千万kW调节容量，达到我国电网当前总装机容量的5%左右，可满足电网备用需要。 2014年我国机动车保有2.64亿辆，如果其中1亿辆为EV，1/5可提供V2G服务，可提供调节容量2.8亿千瓦，完全可以满足当前新能源消纳的需要。EV成为友好负荷： l 促进新能源消纳l 提供备用保障l 提高设备利用率电网成为友好平台：l 提供通畅可靠的接入l 为用户提供附加收入l 运营结算、转移支付国务院关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见,到2020年，基本建成适度超前、车桩相随、智能高效的充电基础设施体系，满足超过500万辆电动汽车

5、的充电需求；二、时间角度下的电动汽车二、时间角度下的电动汽车电动汽车发电动汽车发展的过程控制展的过程控制复杂大系统早期发展以闭环修正为主，随着知识积累逐渐过渡到以开环分析为主。 由于与燃油车的竞争，电动汽车必须采用阶跃式发展方式，从而需要开闭环结合即理论与实践紧密结合，以保证发展方向和模式的正确性；1、从时间维度看电动汽车协同发展过程控制、从时间维度看电动汽车协同发展过程控制在时间维度上，电动汽车及充电设施建设是一个过程控制问题，是大系统发展的共性问题协同发展/过程控制协调控制/运行控制2、阶跃式发展带来的巨大挑战、阶跃式发展带来的巨大挑战 当前我国政策力度空前强大，新一轮5年内上万亿元的投资

6、过程已经迅速启动，其投资效率每提高一个百分点，就能避免资金浪费上百亿元。与此同时，无论在顶层设计还是应用技术层面，都还存在相当大的不确定性和风险。 这是人类历史上，首次需要在几乎毫无经验的条件下，一步到位地设计和建设这样大规模的复杂系统，在理论和实践上都带来了空前巨大的挑战，迫切需要我们行动起来，全方位参与这些问题的研究和解决。 国内外数十年的实践清楚地表明，单一科研机构或企业都不可能独自解决如此宏大复杂的问题；传统的科学问题与应用技术分开研究的模式也不能满足快速发展的需要，理论研究必须与技术开发、产业建设紧密协同，引领官产学研用体系。 2007年创立，主推换电模式 在烧掉约10亿美元后，于2

7、013年宣告破产三、电动汽车发展的困难与关键三、电动汽车发展的困难与关键1、电动汽车发展的主要困难、电动汽车发展的主要困难成本难以下降，而环保效益不紧迫、不直接、难以量化，使得推动力不足，发展决心、决策难以确立。动力不足不确定性强利益复杂具有多种可行的充电方式、运行方式和商业模式，发展路线难以确定。运营与产业链条长，利益主体众多、关系复杂，协调非常困难。缺乏经验缺少大规模系统化的示范项目，因而缺少反映实际情况的基础数据，不能支撑与验证各项研究分析。2、电动汽车发展的关键抓手、电动汽车发展的关键抓手（1）针对整个EV大系统开展深入的、全面的、贴近实际的发展路线研究。（2）积极开展全局效益分析和顶

8、层设计，建立适当机制，增加EV发展的动力，协调利益关系，促进商业模式的建立。（3）有目标、有计划、有规模地开展多种模式的综合示范，探索和验证发展方向，完善分析模型和方法。（4）尽可能借鉴燃油汽车、电力系统等方面的相关方法和经验。（5）加强行业之间的交流和讨论，形成互惠合作共识，落实到基本政策、规范和具体行动。新一代高能量密度、高功率密度、高安全度的动力电池技术的研发和量产合理发展路线、利益机制和技术体系的制订即顶层设计需要政策体系和技术平台共同支撑生产力和技术方面生产关系和系统建设方面3、电力行业面临的核心问题、电力行业面临的核心问题 由于电力工业的专业性、电网体系与制度的复杂性，电力行业对电

9、动汽车发展负有不可推卸的责任，并且是非常核心、难以替代的责任者之一。 车网复杂系统协同发展的综合分析与顶层设计方法 提高电动汽车消纳能力的充电设施和电网规划、建设与运行方法 源网荷车的协调调度方法与控制策略 车网融合中复杂智能的综合应用方法互联网+的核心内容 电动汽车与分布式能源、微网的互动与控制方法对上述问题，不仅需要我们深入开展理论研究，而且需要我们切实推动相应的技术开发、产业建设、生产运营等各个环节。需要电力行业参与解决的核心问题包括：四、基于系统价值的顶层设计方法四、基于系统价值的顶层设计方法 1、系统替代的可行性规律、系统替代的可行性规律能够满足用户的刚性需求刚性需求刚性需求准则准则

10、更大全局更大全局效益准则效益准则效益均衡效益均衡准则准则替替代代可可行行性性具有更大的全局效益均衡配置使得各环节均具有更大效益随着雾霾问题日益突出，环保问题逐渐成为一种社会层面的、新的刚性需求，使得电动汽车发展从柔性的效益驱动变为刚性需求驱动，刚性需求准则成为主导准则。2、顶层设计的基本步骤、顶层设计的基本步骤分析用户群刚性需求特点，确定能否满足刚性需求。刚性需求的刚性需求的可行性分析可行性分析全局效益的全局效益的可行性分析可行性分析刚性需求实刚性需求实现设计现设计通过概略性分析系统运行范围，估计全局效益的变化规律，初步确定发展路线和商业模式的可行性。结合刚性需求和各种技术约束，提出系统必须具

11、备的基本功能、性能要求和具体实现方式。效益均衡与效益均衡与优化设计优化设计对局部效益进行详细分析，合理设计系统运行、管理、价格、补贴等方案与政策，建立均衡的效益分配机制。3、私人乘用车发展的顶层设计、私人乘用车发展的顶层设计3.1 刚性需求的可行性分析私人乘用车的用户需求用户对EV的总体要求大约84%的用户购买EV时只要求用于日常出行或者近郊旅游出行，要求能够长途旅行的只有16%。3、私人乘用车发展的顶层设计、私人乘用车发展的顶层设计3.1 刚性需求的可行性分析0%20%40%60%80%100%0100200300400500600700800Driving distance (km)POP

12、2134出行里程人群比例曲线。1：工作日出行，2：周末出行，3：郊游出行，4：长途旅行（1）日常工作/生活行驶需求111bSDRR其中 为保障天数， 为目标群体每天平均工作/生活行驶距离， 为保障性需求。例如，在北京要满足60%的人群连续3天使用的需要，由图5曲线得到工作日行驶距离为23公里，非工作日为35公里，因此续驶里程为335+30=135km。1D1RbR3、私人乘用车发展的顶层设计、私人乘用车发展的顶层设计3.1 刚性需求的可行性分析0%20%40%60%80%100%0100200300400500600700800Driving distance (km)POP2134出行里程人

13、群比例曲线。1：工作日出行，2：周末出行，3：郊游出行，4：长途旅行（2）郊游出行的行驶需求2212223bSRRRR其中 为郊游出行距离， 为目的地游览距离， 为意外绕行距离。例如，在北京按照满足中心城区到达所有郊区县和主要风景区为标准，行驶距离为：100120+2030+2030+30= 170210km。21R22R23R3、私人乘用车发展的顶层设计、私人乘用车发展的顶层设计3.1 刚性需求的可行性分析0%20%40%60%80%100%0100200300400500600700800Driving distance (km)POP2134出行里程人群比例曲线。1：工作日出行，2：周末

14、出行，3：郊游出行，4：长途旅行（3）长途旅行的行驶需求33bSRR其中 为单次充电续驶里程，取250300km。根据图5，如果续驶里程为250+30= 280km，则休息1次时可以行驶500km，可以满足63.5%用户的长途出行需求。3R3、私人乘用车发展的顶层设计、私人乘用车发展的顶层设计3.1 刚性需求的可行性分析0%20%40%60%80%100%0100200300400500600700800Driving distance (km)POP2134出行里程人群比例曲线。1：工作日出行，2：周末出行，3：郊游出行，4：长途旅行（4）需求排序与组合 三种需求程度依次减少、里程依次增加，

15、因此应该逐渐增加需求类型和里程。 选择350+30=180km，能够达到86.1%日常出行和76.1%郊游出行的需求。 在充电需求方面，用户在工作/生活出行时有足够时间充电，因此可用分散慢充为主、少量快充为辅的总体方案。 上述方案可以满足大部分用户的刚性需求，具有刚性需求的可行性。3、私人乘用车发展的顶层设计、私人乘用车发展的顶层设计3.2 全局效益的可行性分析燃油车改用EV后增加的全局效益arg_EVfuelchingNEEVpICEVpBCCVVV式中 为燃油车加油成本， 为EV充电的边际供电成本， 为增加新能源利用的价值， 为充电所产生污染的价值， 为所替代ICEV污染的价值。fuelC

16、argchingCNEV_EVpV_ICEVpV充电时间 边际成本 促进新能源 减少污染合计谷期00.230.280.841.242.91 1.293.75峰期1.201.242.91 0.041.71电动汽车单位充电量的效益（元/kWh）3、私人乘用车发展的顶层设计、私人乘用车发展的顶层设计3.2 全局效益的可行性分析电动汽车使用的全局效益与环保效益 充电时间使用里程100%谷期充电50%谷期+50%峰期充电100%峰期充电全局效益 环保效益全局效益环保效益全局效益 环保效益10万公里9.515.33.07.38.313.32.76.57.111.32.45.720万公里19.030.6 5

17、.914.616.626.75.413.014.222.7 4.811.3 在质保里程10万公里时，全局效益与车辆差价812万元达到平衡点；当使用里程更长时EV比ICEV效益更好。 全局效益中有1/3以上来源于环保效益，其受益主体是全社会，需要用价格和补贴机制将其转化为经济价值以激励用户购车并实现全局优化，这正是制订激励政策的理论基础。3、私人乘用车发展的顶层设计、私人乘用车发展的顶层设计3.3 架构设计概要 EV架构设计的基本内容方案刚性需求实现效益均衡与优化续驶里程充电设施补贴政策电价和调度制度充电设施运营制度一般方案135km一比一建设补贴购置差价的一半分时电价、不调度市场自由竞争激进方

18、案180km在集中区域超前建设补贴全部购置差价分时电价和调度电价，建立调度系统BOT或特许经营3、私人乘用车发展的顶层设计、私人乘用车发展的顶层设计3.3 架构设计概要1） 刚性需求的实现（1）续驶里程。 根据北京市数据，一般方案135km可以满足60%的日常出行需求，激进方案180km可以满足86.1%的日常出行需求和76.1%的郊游出行需求。 各汽车企业也可以根据其发展战略，选择其它目标群体开发相应性能的电动汽车。（2）充电设施。 采取分散慢充为主、分散快充为辅的方式。一般方案为一比一建设，激进方案还选择集中示范区域进行超前建设。 其位置和建设方式应该与希望满足的行驶需求对应。例如，日常出行需要主要在住宅区、办公区和公共场所安装充电设备 快充设施只是一种补充充电方式，在开始时可以按照一定密度或者0.1左右的比例进行建设，再根据实际使用情况进行灵活调整。3、私人乘用车发展的顶层设计、私人乘用车发展的顶层设计3.3 架构设计概要2）效益均衡和优化（1）补贴政策。可以根据财政能力选择补贴车辆购置差价的一半、全部或者其它方案，更合理的方式是与其它方面一起设计综合解决方